KR101866902B1 - 복합 물성을 갖는 메타 구조체 및 이를 이용한 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 복합 물성을 갖는 메타 구조체는 파동의 성질을 인위적으로 변환하는 물성을 가지는 다수의 단위블록이 평면 또는 공간 상에 일정패턴으로 결합되어 하나의 메타 구조체를 이루고, 단위블록은 서로 크기가 다르게 형성되며, 단위블록의 크기에 따라 변환되는 파동의 주파수 범위가 달라지는 것을 특징으로 한다.

Description

복합 물성을 갖는 메타 구조체 및 이를 이용한 장치{Meta structure having composite physical properties and the device using the same}
본 발명은 복합 물성을 갖는 메타 구조체 및 이를 이용한 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제어하고자 하는 파동의 주파수 범위에 따라 서로 다른 크기를 갖는 단위블록을 어레이 형태로 결합한 복합 물성을 갖는 메타 구조체 및 이를 이용한 장치에 관한 것이다.
일반적으로 메타 구조체는 자연적으로 존재하는 원자나 분자와 달리 유전율(Permittivity), 투자율(Permeability), 굴절율(Refractive Index), 전파특성(Scattering Parameter) 등의 특성을 임의로 제어할 수 있기 때문에 새로운 물질 또는 구조로서 다양하게 활용된다. 최근에는 이러한 메타 구조체를 이용하여 목표 대상의 성능 향상 및 최적설계에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 특히 파동 형태의 에너지를 제어하는 기술과 관련하여 메타 구조체는 매우 중요한 요소로 활용되고 있다.
메타 구조체는 메타 구조체를 구성하는 단위 셀의 크기, 즉 메타 원자의 크기가 입사하는 파동의 파장에 비해서 대략 1/3 ~ 1/5 정도로 구성되어 있다. 메타 원자의 크기가 1/3 ~ 1/5 정도의 크기가 되어야만 음의 굴절률, 무반사, 완전 흡수 등과 같은 특이한 메타 현상이 발생한다. 참고로, 메타 현상은 주로 파동의 공진 현상에 의존하여 발생하며, 메타 구조체의 기하학적 특성에 따라 반응 주파수 대역을 선택할 수 있다.
종래의 메타 구조체는 이러한 단위 셀의 크기가 모두 동일하기 때문에, 메타 현상이 나타나는 주파수 범위가 상대적으로 좁다는 문제점이 있었다. 다시 말해 단위 셀의 크기에 대응되는 특정 주파수의 파동만 선택적으로 제어할 수 있었고, 특정 주파수 이외의 파동은 제어할 수 없었다.
2000년대 초반, 메타 구조체가 제안된 이래로 공진기, 전류필터, 센서, 편광자, 에너지 하베스터, 안테나 등과 같은 다양한 기술분야에서 메타 구조체가 적용되고 있고 이를 응용하는 분야가 갈수록 증가하고 있다. 또한, 여기서 제어하고자 하는 파동의 주파수 범위도 다양해지고, 보다 광범위해지고 있다.
이에 따라, 광대역을 갖는 파동을 동시에 제어할 수 있는 메타 구조체가 요구되고 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-0994129호(2010. 11. 15. 등록 공고, 발명의 명칭 : 음의 유전율, 투자율 및 굴절률을 갖는 평판형 메타 물질, 그 메타 메질을 포함한 평판형 메타 물질 구조체 및 그 구조체를 포함한 안테나 시스템)
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 광대역을 갖는 파동을 동시에 제어할 수 있고, 보다 안정적인 구조를 갖는 복합 물성을 갖는 메타 구조체 및 이를 이용한 장치를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 복합 물성을 갖는 메타 구조체는, 파동의 성질을 인위적으로 변환하는 물성을 가지는 다수의 단위블록이 평면 또는 공간 상에 일정패턴으로 결합되어 하나의 메타 구조체를 이루고, 상기 단위블록은 서로 크기가 다르게 형성되며, 상기 단위블록의 크기에 따라 변환되는 파동의 주파수 범위가 달라지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 복합 물성을 갖는 메타 구조체에 있어서, 상기 단위블록은 평면 상에 배치되고, 상기 단위블록은 정사각형 형상으로 형성되며, 상기 다수의 단위블록의 한 변의 길이는 피보나치 수열의 규칙에 따라 연속적으로 증가할 수 있다.
본 발명에 따른 복합 물성을 갖는 메타 구조체에 있어서, 상기 단위블록은 공간 상에 배치되고, 상기 단위블록은 정육면체 형상으로 형성되며, 상기 다수의 단위블록의 한 변의 길이는 피보나치 수열의 규칙에 따라 연속적으로 증가할 수 있다.
본 발명에 따른 복합 물성을 갖는 메타 구조체에 있어서, 상기 다수의 단위블록 중 n번째 단위블록의 한 변에는 n-1번째 단위블록의 한 변이 접촉되게 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 복합 물성을 갖는 메타 구조체에 있어서, 상기 단위블록은 평면 상에 배치되고, 상기 단위블록은 정사각형 형상으로 형성되며, 상기 다수의 단위블록의 한 변의 길이는 피보나치 수열의 규칙에 따라 비연속적으로 증가하거나 또는 피보나치 수열의 규칙에 따라 연속적으로 증가하는 것과 비연속적으로 증가하는 것이 조합될 수 있다.
본 발명에 따른 복합 물성을 갖는 메타 구조체에 있어서, 상기 단위블록은 공간 상에 배치되고, 상기 단위블록은 정육면체 형상으로 형성되며, 상기 다수의 단위블록의 한 변의 길이는 피보나치 수열의 규칙에 따라 비연속적으로 증가하거나 또는 피보나치 수열의 규칙에 따라 연속적으로 증가하는 것과 비연속적으로 증가하는 것이 조합될 수 있다.
본 발명에 따른 복합 물성을 갖는 메타 구조체에 있어서, 상기 다수의 단위블록 중 한 변의 길이가 제1길이인 단위블록은 제1주파수를 갖는 전자기파의 성질을 변환하고, 한 변의 길이가 상기 제1길이보다 짧은 제2길이인 단위블록은 상기 제1주파수보다 높은 제2주파수를 갖는 전자기파의 성질을 변환할 수 있다.
본 발명에 따른 복합 물성을 갖는 메타 구조체에 있어서, 상기 다수의 단위블록 중 한 변의 길이가 제1길이인 단위블록은 제1주파수를 갖는 역학파의 성질을 변환하고, 한 변의 길이가 상기 제1길이보다 짧은 제2길이인 단위블록은 상기 제1주파수보다 높은 제2주파수를 갖는 역학파의 성질을 변환할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 복합 물성을 갖는 메타 구조체를 이용한 장치는, 복합 물성을 갖는 메타 구조체; 및 상기 복합 물성을 갖는 메타 구조체의 가장자리에 결합되어 상기 복합 물성을 갖는 메타 구조체를 고정하는 형상 고정용 프레임;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 복합 물성을 갖는 메타 구조체에 따르면, 단일의 메타 구조체로 광대역의 파동을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 복합 물성을 갖는 메타 구조체에 따르면, 인체에 유해한 전자파의 효율적 차단, 데이터 통신의 다채널 고속화, 광학 또는 전류 필터의 소형화 등의 유리한 효과를 얻을 수 있고, 주파수 대역이 다른 이종의 파동, 예를 들어 열과 음파, 테라헤르츠파와 적외선을 동시에 처리할 수도 있으므로 메타 구조체의 기능을 다각화할 수 있다.
또한, 본 발명의 복합 물성을 갖는 메타 구조체에 따르면, 한정된 면적 또는 공간에 최대한의 단위블록을 배열하여 메타 구조체의 크기를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 메타 구조체의 크기를 안정적으로 확대해 나갈 수 있다.
본 발명의 복합 물성을 갖는 메타 구조체를 이용한 장치에 따르면, 액정표시장치의 편광자에 적용되어 백색광의 발현을 최적화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 물성을 갖는 메타 구조체를 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 2는 도 1의 복합 물성을 갖는 메타 구조체를 이루는 각각의 단위블록에 의해 서로 다른 주파수를 갖는 파동의 성질이 변환되는 것을 나타낸 도면이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 물성을 갖는 메타 구조체를 이루는 각각의 단위블록의 길이가 피보나치 수열의 규칙에 따라 증가되는 것을 나타낸 도면이고,
도 4는 도 3의 복합 물성을 갖는 메타 구조체를 이루는 각각의 단위블록에 의해 서로 다른 주파수를 갖는 전자기파의 성질이 변환되는 것을 나타낸 도면이고,
도 5는 도 3의 복합 물성을 갖는 메타 구조체를 이루는 각각의 단위블록에 의해 서로 다른 주파수를 갖는 역학파의 성질이 변환되는 것을 나타낸 도면이고,
도 6은 도 3의 복합 물성을 갖는 메타 구조체에 있어서, 다수의 단위블록이 배치되는 변형례를 도시한 도면이고,
도 7은 도 3의 복합 물성을 갖는 메타 구조체에 있어서, 각각의 단위블록의 길이가 피보나치 수열의 규칙에 따라 연속적으로 또는 띄엄띄엄 증가되는 것을 나타내는 도면이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 물성을 갖는 메타 구조체를 이용한 장치를 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 9는 도 8의 복합 물성을 갖는 메타 구조체를 이용한 장치를 편광자에 적용한 일례를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 복합 물성을 갖는 메타 구조체의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 물성을 갖는 메타 구조체를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 복합 물성을 갖는 메타 구조체를 이루는 각각의 단위블록에 의해 서로 다른 주파수를 갖는 파동의 성질이 변환되는 것을 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 물성을 갖는 메타 구조체를 이루는 각각의 단위블록의 길이가 피보나치 수열의 규칙에 따라 증가되는 것을 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3의 복합 물성을 갖는 메타 구조체를 이루는 각각의 단위블록에 의해 서로 다른 주파수를 갖는 전자기파의 성질이 변환되는 것을 나타낸 도면이고, 도 5는 도 3의 복합 물성을 갖는 메타 구조체를 이루는 각각의 단위블록에 의해 서로 다른 주파수를 갖는 역학파의 성질이 변환되는 것을 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 물성을 갖는 메타 구조체(10)는 제어하고자 하는 파동(W)의 주파수 범위에 따라 서로 다른 크기를 갖는 다수의 단위블록(B)을 어레이 형태로 결합한 것으로서, 파동(W)의 성질을 인위적으로 변환하는 물성을 가지는 다수의 단위블록(B)이 평면 또는 공간 상에 일정패턴으로 결합되어 하나의 메타 구조체(10)를 이룬다.
다수의 단위블록(B)은 서로 크기가 다르게 형성된다. 단위블록(B)의 내부에는 도 2에 도시된 바와 같이 특정 모양으로 설계된 단위 셀(C)이 배치되는데, 단위 셀(C)의 두께(t), 개구 폭(d), 세로길이(r1) 또는 가로길이(r2) 등에 따라 파동(W)의 변환 특성이 달라진다. 각각의 단위블록(B)에 있어서 단위 셀(C)의 모양은 서로 동일할 수도 있고, 다를 수도 있다.
단위 셀(C)의 크기는 단위블록(B)의 크기에 비례하여 확대되거나 축소되고, 단위블록(B)의 크기에 따라 변환되는 파동(W)의 주파수 범위가 달라진다. 이때, 단위 셀(C)의 기하학적 형상은 그대로 유지되므로, 파동(W)의 변환 특성은 일정한 패턴 또는 규칙을 따르게 된다.
즉, 메타 구조체(10)에 입사되는 파동(W) 중 주파수가 상대적으로 높은 파동(Ws)은 그것에 대응하는 단위블록(Ba)을 통과하면서 파동(W)의 특성(예를 들어 굴절률)이 일정한 패턴을 따라 변환되고, 메타 구조체(10)에 입사되는 파동(W) 중 주파수가 상대적으로 낮은 파동(WL)은 그것에 대응하는 단위블록(Bb)을 통과하면서 파동(W)의 특성이 일정한 패턴을 따라 변환된다.
최근 이동통신 등 전기/전자기술이 발전됨에 따라 제어하고자 하는 파동(W)의 주파수 대역은 갈수록 광범위해져 가고 있으나, 종래의 메타 구조체는 단위 셀의 크기가 모두 동일하여 메타 현상이 나타나는 주파수 범위가 상대적으로 좁았다.
반면, 본 발명은 하나의 메타 구조체(10)를 이루는 단위블록(B)들의 크기를 다양하게 하고, 단위블록(B)의 크기에 따라 단위 셀의 크기도 다양하게 구성됨으로써, 파동(W)의 주파수 범위를 보다 확대하여 제어할 수 있는 것이다.
단위블록(B)의 형상은 구체적으로 한정되지 않으나, 본 실시예에서 단위블록(B)은 도 3에 도시된 바와 같이 정사각형 형상으로 형성되고, 단위블록(B)의 한 변의 길이는 피보나치 수열의 규칙에 따라 증가하며, 단위블록(B) 중 n번째 단위블록(Bn)의 한 변(ln)에는 n-1번째 단위블록(Bn-1)의 한 변이 접촉되게 배치된다.
피보나치 수열은 알려진 바와 같이 처음 두 항을 1과 1로 한 후, 그 다음 항부터는 바로 앞의 두 개의 항을 더해 만드는 수열로서, 본 실시예에서 메타 구조체(10)는 첫번째 단위블록(Bo)을 시작점으로 하여 나선 형태를 그리며 구성되며, 단위블록(B)의 개수가 증가될수록 메타 구조체(10)의 가로 세로 비율은 황금비(약 1.618)에 수렴한다.
이러한 피보나치 수열의 규칙에 따라 나선을 그리게 되면, 가장 밀집도 있는 나선을 만들 수 있으므로, 한정된 면적에 최대한 많은 수의 단위블록(B)을 배열하여 메타 구조체(10)의 크기를 최소화할 수 있음은 물론, 정사각 형상이 일정 배율로 확대된 단위블록(B)들을 나선 형태로 결합함으로써, 메타 구조체(10)의 크기를 안정적으로 확대해 나갈 수 있다.
한편, 파동(W)은 수면파, 음파, 지진파, 탄성파와 같이 매질을 이루는 입자들의 운동을 통해 전달되는 역학파(Wq) 또는 가시광선, 적외선, 자외선, 방송파, X-선 등과 같이 매질과는 무관하게 전기장과 자기장의 파동에 의해 전달되는 전자기파(Wp) 등이 될 수 있다. 전자기파(Wp)는 일반적으로 전파(kHZ ~ THZ)에서 광파(IR ~ UV대역)까지의 주파수 대역을 가지며, 역학파(Wq)는 이보다 상대적으로 낮은 주파수 대역을 가진다. 본 발명은 특정 패턴으로 설계된 독립적인 구조체로서, 매질과 관련없는 일반적인 전자기파, 원적외선부터 가시광선에 이르는 광대역의 전자기파를 제어하는 데 특히 유용하다.
본 실시예에서 메타 구조체(10)를 구성하는 다수의 단위블록(B) 중 도 4에 도시된 바와 같이 한 변의 길이가 제1길이(L1)인 단위블록(B1)은 제1주파수를 갖는 전자기파(Wp1)의 성질을 변환하고, 한 변의 길이가 제1길이(L1)보다 긴 제2길이(L2)인 단위블록(B2)은 제1주파수보다 낮은 제2주파수를 갖는 전자기파(Wp2)의 성질을 변환할 수 있다.
또는, 도 5에 도시된 바와 같이 다수의 단위블록(B) 중, 한 변의 길이가 제1길이(L1)인 단위블록(B1)은 제1주파수를 갖는 역학파(Wq1)의 성질을 변환하고, 한 변의 길이가 제1길이(L1)보다 긴 제2길이(L2)인 단위블록(B2)은 제1주파수보다 낮은 제2주파수를 갖는 역학파(Wq2)의 성질을 변환할 수 있다.
도시되지는 않았으나, 메타 구조체(10)를 구성하는 다수의 단위블록(B) 중 메타 구조체(10)의 중심부에 가깝게 배치되어 상대적으로 좁은 면적을 갖는 단위블록(B)들은 주파수가 상대적으로 높은 파동(W)의 성질을 변환하고, 메타 구조체(10)의 중심부에서 멀리 배치되어 상대적으로 넓은 면적을 갖는 단위블록(B)들은 주파수가 상대적으로 낮은 파동(W)의 성질을 변환할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 단일의 메타 구조체(10)를 이용하여 광대역의 파동(W)을 제어할 수 있기 때문에, 인체에 유해한 전자파의 효율적 차단, 데이터 통신의 다채널 고속화, 광학 또는 전류 필터의 소형화 등의 유리한 효과를 얻을 수 있고, 주파수 대역이 다른 이종의 파동(W), 예를 들어 열과 음파, 테라헤르츠파(비전이성 방사선)와 적외선 등을 동시에 처리할 수도 있으므로 메타 구조체(10)의 기능을 다각화할 수 있는 효과도 얻을 수 있다.
도 3 내지 도 5에 있어서 단위블록(B)이 평면 상에 배치되고, 단위블록(B)이 정사각형 형상으로 형성되는 것을 예로 들어 도시하였으나, 단위블록이 공간 상에 배치되고, 각 단위블록은 정육면체 형상으로 형성될 수도 있다.
한편, 도 6은 도 3의 복합 물성을 갖는 메타 구조체에 있어서, 다수의 단위블록이 배치되는 변형례를 도시한 도면이다.
도 3의 메타 구조체(10)는 한 변의 길이가 피보나치 수열의 규칙에 따라 계속적으로 증가하는 단위블록(B)들로 구성되는 것으로 도시하였으나, 도 6에 도시된 바와 같이, 한 변의 길이가 피보나치 수열의 규칙에 따라 증가하는 단위블록(B0, B1, B2, B3)이 일정 수량만큼 모여 하나의 세트를 이루고, 이러한 세트를 다수 개 포함하는 메타 구조체(10')가 구성될 수도 있다.
한편, 도 7은 도 3의 복합 물성을 갖는 메타 구조체에 있어서, 각각의 단위블록의 길이가 피보나치 수열의 규칙에 따라 연속적으로 또는 띄엄띄엄 증가되는 것을 나타내는 도면이다.
도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 메타 구조체(10)는 한 변의 길이가 피보나치 수열의 규칙에 따라 연속적으로 증가하는 다수의 단위블록(B0, B1, B2, B3, B4)으로 구성될 수 있다.
각각의 단위블록(B0, B1, B2, B3)의 공진 주파수(31)가 각각 f0, f1, f2, f3로 대응되고, 이웃하는 단위블록(B0, B1, B2, B3)의 크기 차이가 크지 않게 되면, 이웃하는 공진 주파수의 간격 또한 좁게 형성될 수 있다.
이때, 피보나치 수열의 규칙에 따라 크기가 연속적으로 증가하는 다수의 단위블록(B0, B1, B2, B3)을 연속적으로 배치하여 메타 구조체(10)를 구성하면, B0로 표시된 단위블록의 공진 주파수 f0, B1으로 표시된 단위블록의 공진 주파수 f1, B2로 표시된 단위블록의 공진 주파수 f2, B3로 표시된 단위블록의 공진 주파수 f3 사이에서 간섭 현상이 발생하여 메타 구조체(10) 전체의 공진 주파수(32)는 넓은 밴드폭을 가질 수 있다. 이와 같이 형성된 메타 구조체(10)는 넓은 밴드폭을 가지게 되므로, 광대역 밴드 필터(broad band filter) 등으로 응용될 수 있다.
도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 메타 구조체(10)는 한 변의 길이가 피보나치 수열의 규칙에 따라 비연속적으로 증가하거나 또는 피보나치 수열의 규칙에 따라 연속적으로 증가하는 것과 비연속적으로 증가하는 것이 조합되는 다수의 단위블록(B0, B2, B4)으로 구성될 수도 있다.
각각의 단위블록(B0, B2, B4, 여기서 B1, B3에 해당하는 단위블록은 존재하지 않음)의 공진 주파수(33)가 각각 f0, f2, f4로 각각 대응되고, 각각의 단위블록(B0, B2, B4)의 크기 차이가 상대적으로 크게 되면, 이웃하는 공진 주파수의 간격 또한 넓게 형성될 수 있다.
이때, 피보나치 수열의 1항(피보나치 수열에서 1의 크기에 해당), 3항(피보나치 수열에서 3의 크기에 해당), 5항(피보나치 수열에서 8의 크기에 해당)에 대응되는 크기로 형성된 다수의 단위블록(B0, B2, B4)으로 메타 구조체(10)를 구성할 경우,
B0로 표시된 단위블록의 공진 주파수 f0, B2으로 표시된 단위블록의 공진 주파수 f2, B4로 표시된 단위블록의 공진 주파수 f4는 서로 다른 주파수에 영향을 주지 않아 이산된 다양한 주파수에서 공진현상이 발생할 수 있다. 이와 같이 형성된 메타 구조체(10)는 밴드폭이 좁고 이산된 다수의 공진 주파수(34)를 가지게 되므로, 다채널 필터 어레이(multiple filter array) 등으로 응용될 수 있다.
본 명세서에서 다수의 단위블록(B)의 한 변의 길이가 비연속적으로 증가한다는 것은, 예를 들어 다수의 단위블록(B)이 피보나치 수열의 1항(피보나치 수열에서 1의 크기에 해당), 3항(피보나치 수열에서 3의 크기에 해당), 5항(피보나치 수열에서 8의 크기에 해당)에 대응되는 크기로 형성되는 것과 같이, 피보나치 수열에 있어서 적어도 하나의 항을 건너뛰면서 크기가 형성되는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에서 다수의 단위블록의 한 변의 길이가 피보나치 수열의 규칙에 따라 연속적으로 증가하는 것과 비연속적으로 증가하는 것이 조합된다는 것은, 예를 들어 다수의 단위블록(B)이 피보나치 수열의 1항(피보나치 수열에서 1의 크기에 해당), 3항(피보나치 수열에서 3의 크기에 해당), 4항(피보나치 수열에서 5의 크기에 해당)에 대응되는 크기로 형성되는 것과 같이, 피보나치 수열에 있어서 적어도 하나의 항을 건너뛰면서 크기가 형성되는 것(1항과 3항)과 연속적으로 크기가 형성되는 것(3항과 4항)이 조합되는 것을 의미한다.
지금부터는 본 발명의 복합 물성을 갖는 메타 구조체를 이용한 장치(1)에 대하여 설명한다. 본 발명에 따른 복합 물성을 갖는 메타 구조체를 이용한 장치(1)에 대하여 본 발명의 복합 물성을 갖는 메타 구조체(10)와 동일한 구성은 동일한 도면 부호를 부여하고, 이에 대한 설명은 생략한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 물성을 갖는 메타 구조체를 이용한 장치를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 9는 도 8의 복합 물성을 갖는 메타 구조체를 이용한 장치를 편광자에 적용한 일례를 나타낸 도면이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 상술한 복합 물성을 갖는 메타 구조체(10)와, 복합 물성을 갖는 메타 구조체(10)의 가장자리에 결합되어 복합 물성을 갖는 메타 구조체(10)를 고정하는 형상 고정용 프레임(20)을 포함하여 구성된다.
상기 형상 고정용 프레임(20)은 메타 구조체(10)의 형상을 단순히 고정하는 구성요소로서 도면에 도시된 바에 한정되는 것은 아니며, 적용/장착되는 대상의 형태에 따라 다양하게 변형될 수 있다.
본 실시예에서 복합 물성을 갖는 메타 구조체를 이용한 장치(1)는 액정 디스플레이 장치에 사용되는 편광자(Z)를 예로 들어 설명한다.
액정 디스플레이 장치는 투명 전극을 형성한 유리판 사이에 액정을 주입하고, 유리판의 일면에 편광자(Z)를 배치한 구조를 갖는다. 도 9를 참조하면, 편광자(Z)는 백색광(Wo)의 R·G·B 주파수 대역별로 굴절률의 차이를 발생시키는 복합 물성을 갖는 메타 구조체를 이용한 장치(1)와, 이 장치의 일면에 부착되어 어느 한 방향으로 진동하는 빛을 흡수하고 다른 방향으로 진동하는 빛만을 통과시켜서 직선편광을 만드는 편광필름(2)으로 구성된다.
편광필름에 의해 광 특성이 변환되는 R·G·B 광(Wr, Wq, Wb)은 복합 물성을 갖는 메타 구조체를 이용한 장치(1)에 의해 변환된 각각의 굴절률 차이에 따라 서로 다른 투과 및 반사 특성을 갖도록 변환된다.
종래의 메타 구조체는 하나의 물성만으로 구성되어 변환 가능한 파동(W)의 주파수 범위가 상대적으로 좁았다. 이에 따라 특정 주파수 영역의 백색광(Wo)은 원하는 음의 굴절률로 변환될 수 있으나, 이외에 다른 주파수 영역의 백색광(Wo)은 원하는 음의 굴절률보다 상대적으로 높거나 혹은 낮게 변환될 수밖에 없었다. 이로 인해 액정표시장치에서 백색광(Wo)의 발현을 최적화하기 어려웠다.
이에 반해, 본 발명의 복합 물성을 갖는 메타 구조체를 이용한 장치(1)는 상대적으로 넓은 범위의 주파수 대역에서 백색광(Wo)의 굴절률을 변환할 수 있기 때문에, 종래의 문제점을 해소할 수 있다.
본 발명의 복합 물성을 갖는 메타 구조체를 이용한 장치는 본 실시예와 같은 편광자(Z)에 한정되지 않고, 파동의 특성 제어가 필요한 모든 장치에 적용될 수 있다. 구체적으로, 센서, 현미경, 전류 필터, 단열-차음 복합소재 등에 적용될 수 있다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 복합 물성을 갖는 메타 구조체는, 제어하고자 하는 파동의 주파수 영역에 따라 서로 다른 크기를 갖는 단위블록을 평면 또는 공간 상에 배치함으로써, 단일의 메타 구조체로 광대역의 파동을 제어할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 복합 물성을 갖는 메타 구조체는, 단일의 메타 구조체를 이용하여 광대역의 파동을 처리할 수 있기 때문에, 인체에 유해한 전자파의 효율적 차단, 데이터 통신의 다채널 고속화, 광학 또는 전류 필터의 소형화 등의 유리한 효과를 얻을 수 있고, 주파수 대역이 다른 이종의 파동, 예를 들어 열과 음파, 테라헤르츠파와 적외선를 동시에 처리할 수도 있으므로 메타 구조체의 기능을 다각화할 수 있는 효과도 얻을 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 복합 물성을 갖는 메타 구조체는, 정사각 형상의 단위블록을 피보나치 수열의 규칙에 따라 배열함으로써, 한정된 면적에 최대한의 단위블록을 배열하여 메타 구조체의 크기를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라, 정사각형 또는 정육면체 형상이 일정 배율로 확대된 단위블록들을 나선 형태로 결합함으로써, 메타 구조체의 크기를 안정적으로 확대해 나갈 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 상술한 바와 같이 구성된 복합 물성을 갖는 메타 구조체를 이용한 장치는, 액정표시장치의 편광자에 적용됨으로써, 백색광의 발현을 최적화할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예 및 변형례에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
1 : 복합 물성을 갖는 메타 구조체를 이용한 장치
2 : 편광필름
10 : 복합 물성을 갖는 메타 구조체
20 : 형상 고정용 프레임
B : 단위블록
W : 파동
Z : 편광자

Claims (9)

  1. 파동의 성질을 인위적으로 변환하는 물성을 가지는 다수의 단위블록이 평면 또는 공간 상에 일정패턴으로 결합되어 하나의 메타 구조체를 이루고,
    상기 단위블록은 서로 크기가 다르게 형성되며,
    상기 단위블록의 크기에 따라 변환되는 파동의 주파수 범위가 달라지고,
    상기 다수의 단위블록 중 한 변의 길이가 제1길이인 단위블록은 제1주파수를 갖는 전자기파 또는 역학파의 성질을 변환하고, 한 변의 길이가 상기 제1길이보다 긴 제2길이인 단위블록은 상기 제1주파수보다 낮은 제2주파수를 갖는 전자기파 또는 역학파의 성질을 변환하는 것을 특징으로 하는 복합 물성을 갖는 메타 구조체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단위블록은 평면 상에 배치되고,
    상기 단위블록은 정사각형 형상으로 형성되며,
    상기 다수의 단위블록의 한 변의 길이는 피보나치 수열의 규칙에 따라 연속적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 복합 물성을 갖는 메타 구조체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단위블록은 공간 상에 배치되고,
    상기 단위블록은 정육면체 형상으로 형성되며,
    상기 다수의 단위블록의 한 변의 길이는 피보나치 수열의 규칙에 따라 연속적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 복합 물성을 갖는 메타 구조체.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 다수의 단위블록 중 n번째 단위블록의 한 변에는 n-1번째 단위블록의 한 변이 접촉되게 배치되는 것을 특징으로 하는 복합 물성을 갖는 메타 구조체.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단위블록은 평면 상에 배치되고,
    상기 단위블록은 정사각형 형상으로 형성되며,
    상기 다수의 단위블록의 한 변의 길이는 피보나치 수열의 규칙에 따라 비연속적으로 증가하거나 또는 피보나치 수열의 규칙에 따라 연속적으로 증가하는 것과 비연속적으로 증가하는 것이 조합되는 것을 특징으로 하는 복합 물성을 갖는 메타 구조체.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단위블록은 공간 상에 배치되고,
    상기 단위블록은 정육면체 형상으로 형성되며,
    상기 다수의 단위블록의 한 변의 길이는 피보나치 수열의 규칙에 따라 비연속적으로 증가하거나 또는 피보나치 수열의 규칙에 따라 연속적으로 증가하는 것과 비연속적으로 증가하는 것이 조합되는 것을 특징으로 하는 복합 물성을 갖는 메타 구조체.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항, 제2항, 제3항, 제5항 또는 제6항 중 어느 한 항에 기재된 복합 물성을 갖는 메타 구조체; 및
    상기 복합 물성을 갖는 메타 구조체의 가장자리에 결합되어 상기 복합 물성을 갖는 메타 구조체를 고정하는 형상 고정용 프레임;을 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 물성을 갖는 메타 구조체를 이용한 장치.
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